第一章计算机系统概述

1.1操作系统的概念（定义）功能和目标

1.1.1操作系统的概念

操作系统（Operating System， OS）是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理地组织调 度计算机的工作和资源的分配；以提供给用户和其他软件方便的接口和环境；它是计算机系统中最基本 的系统软件。

1.1.2操作系统的功能和目标

1）操作系统是系统资源的管理者

操作系统五大功能：处理机管理、存储器管理、文件管理、设备管理、提供操作系统和用户之间的接口

 

 

执行一个程序前需要将该程序放到内存中，才能被CPU处理

 

 2）操作系统向上层提供方便易用的服务

封装思想：操作系统把一些硬件功能封装成简单易用的服务，使用户能更方便地使用计算机，用户无需关心底层硬件的原理，只需要对操作系统发出命令即可

 

GUI：图形化用户接口（Graphical User Interface） 用户可以使用形象的图形界面进行操作，而不再需要记忆复杂的命令、参数。

例子：在 Windows 操作系统中，删除一个文件只需要把文件“拖拽”到回收站即可

 

联机命令接口实例（Windows系统）：联机命令接口=交互式命令接口

Step 1：win键+R

Step 2：输入cmd，按回车，打开命令解释器

Step 3：尝试使用 time 命令

特点：特点：用户说一句， 系统跟着做一句

 

脱机命令接口实例（Windows系统）：

脱机命令接口=批处理命令接口，使用windows系统的搜索功能，搜索C盘中的 *.bat文件，用记事本任意打开一个

特点：用户说一堆， 系统跟着做一堆

 

 

程序接口：可以在程序中进行系统调用来使用程序接口。普通用户不能直接使用程序接口，只能通过程序代码间接使用

 

 

总结：

 

 

 

 3）是最接近硬件的一层

能实现对硬件机器的拓展

操作系统对硬件机器的拓展：将CPU、内存、磁盘、显示器、键盘等硬件合理地组织起来，让各种硬件 能够相互协调配合，实现更多更复杂的功能 普通用户无需关心这些硬件在底层是怎么组织起来工作的，只需直接使用操作系统提供的接口即可

 

 

没有任何软件支持的计算机成为裸机。在裸机上安装的操作系统， 可以提供资源管理功能和方便用户的服务功能，将裸机改造成功能更强、使用更方便的机器通常把覆盖了软件的机器成为扩充机器，又称之为虚拟机

 

 

 1.1.3小结知识回顾与重要考点

 

 

1.2操作系统的四个特征

操作系统的特征：并发、共享、虚拟、异步

其中并发和共享是操作系统最基本的两个特征，二者互为存在条件

 

1.2.1操作系统的特征——并发

并发：指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。这些事件宏观上是同时发生的，但微观上是交替发生的。

常考易混概念——并行：指两个或多个事件在同一时刻同时发生。

 

操作系统的并发性指计算机系统中“同时”运行着多个程序，这些程序宏观上看是同时运行着的，而微观 上看是交替运行的。

操作系统就是伴随着“多道程序技术”（需要计算机并行来实现）而出现的。因此，操作系统和程序并发是一起诞生的。

 

注意（重要考点）：

单核CPU同一时刻只能执行一个程序，各个程序只能并发地执行

多核CPU同一时刻可以同时执行多个程序，多个程序可以并行地执行

 

1.2.2操作系统的特征——共享

共享即资源共享，是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。

所谓的“同时”往往是宏观上的，而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问的（即分时共享）

 

1.2.3操作系统的特征——并发和共享的关系

并发性指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。

共享性是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。

 

 

 

1.2.4操作系统的特征——虚拟

虚拟是指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体（前者）是实际存在的，而逻辑上 对应物（后者）是用户感受到的

 

显然，如果失去了并发性，则一个时间段内系统中只需运行一道程序，那么就失去了实现虚拟性的意义了。因此，没有并发 性，就谈不上虚拟性

 

实例1：虚拟技术的空分复用技术

 

 

实例2：虚拟机的时分复用技术

 

 

 

1.2.5操作系统的特征——异步

异步是指，在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程的执行不是一贯到底的， 而是走走停停，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。

如果失去了并发性，即系统只能串行地 运行各个程序，那么每个程序的执行会 一贯到底。只有系统拥有并发性，才有 可能导致异步性。

 

1.2.6知识回顾与重要考点

 

 

重要考点：

理解并发和并行的区别

并发和共享互为存在条件

没有并发和共享，就谈不上虚拟和异步，因此并发和共享是操作系统的两个最基本的特征

 

1.3操作系统的分类和发展

 

 

1.3.1手工操作阶段

 

 

1.3.2批处理操作阶段

1）单道批处理系统

引入脱机输入/输出技术（用外围机+磁带完成），并由监督程序负责控制作业的输入、输出

 

 

主要优点：缓解了一定 程度的人机速度矛盾， 资源利用率有所提升。

主要缺点：内存中仅能 有一道程序运行，只有 该程序运行结束之后才 能调入下一道程序。 CPU有大量的时间是在 空闲等待I/O完成。资源 利用率依然很低。

 

 

2）多道批处理系统

 

 主要优点：多道程序并发执行，共享计算机 资源。资源利用率大幅提升，CPU和其他资 源更能保持“忙碌”状态，系统吞吐量增大。

主要缺点：用户响应时间长，没有人机交互 功能（用户提交自己的作业之后就只能等待 计算机处理完成，中间不能控制自己的作业 执行。eg：无法调试程序/无法在程序运行过 程中输入一些参数）

 

 

1.3.3分时操作系统

分时操作系统：计算机以时间片为单位轮流为各个用户/作业服务，各个用户可通过终端与计算机进行交互。

主要优点：用户请求可以被即时响应，解决了人机交互问题。允许多个用户（程序）同时使用一台计算机，并且用户对计算机的操作相互独立，感受不到别人的存在。

主要缺点：不能优先处理一些紧急任务。操作系统对各个用户/作业都是完全公平的，循环地为每个用户/ 作业服务一个时间片，不区分任务的紧急性

 

1.3.4实时操作系统

主要优点：能够优先响应一些紧急任务，某些紧急任务不需时间片排队。

在实时操作系统的控制下，计算机系统接收到外部信号后及时进行处理，并且要在严格的时限内处理完事件。

实时操作系统的主要特点是及时性和可靠性

 

 

1.3.5网络操作系统、分布式操作系统、个人计算机操作系统

网络操作系统：是伴随着计算机网络的发展而诞生的，能把网络中各个计算机有机地结合起来，实现数据传送等功能，实现网络中各种资源的共享（如文件共享）和各台计算机之间的通信。（如：Windows NT 就是 一种典型的网络操作系统，网站服务器就可以使用）

分布式操作系统：主要特点是分布性和并行性。系统中的各台计算机地位相同，任何工作都可以分布在这些计算机上，由它们并行、协同完成这个任务。

个人计算机操作系统：如 Windows XP、MacOS，方便个人使用。

1.3.6知识回顾与重要考点

 

1.4操作系统的运行机制与体系结构

 

 

1.4.1运行机制

指令和代码的区别：

 

 

指令： 指令就是处理器（cpu）能识别、执行的最基本指令

 

 

 

如何判断当前是否可以执行特权指令？

两种处理器状态：

 

 

两种程序：

 

 

 

1.4.2操作系统内核

计算机系统的层次结构:

 

 

内核是计算机上配置的底层软件，是操作系统最基本、最核心的部分

实现操作系统内核功能的那些程序就是内核程序

 

 

1.4.3操作系统体系结构

不同的操作系统对内核的划分不同，因此可把内核分为大内核和微内核

 

 大内核和微内核的区别：

 

 

 1.4.5总结

 

1.5中断和异常

 

1.5.1中断的作用

CPU 上会运行两种程序，一种是操作系统内核程序，一种是应用程序

其中操作系统内核程序是整个系统的管理者

 

在合适的情况下，操作系统内核会把CPU的使用权主动让给应用程序（第二章进程管理相关内容）

“中断”会使CPU由用户态变为内核态，使操作系统重新夺回对CPU 的控制权，是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径

如果没有“中断”机制，那么一旦应用程序上CPU运行，CPU就会一直运行这个应用程序

 

内核——>用户态：执行一条特权指令——修改PSW的标志位为“用户态”，这个动作意味着操作系统将主动让出CPU使用权

用户态——>内核态：由“中断”引发，硬件自动完成变态过程，触发中断信号意味着操作系统将强行夺回CPU的使用权

 

 

1.5.2中断的类型

 

 

内中断例子：

若当前执行的指令是非法的，则 会引发一个中断信号

执行“陷入指令”（会引发中断），意味着应用程序主动地将CPU控制权还给操作系统内核。 “系统调用”就是通过陷入指令完成的

 

外中断例子：

 

 

中断的分类：

 

 大多数的教材、试卷中，“中断”特指狭义的中断，即外中断。而内中断一般称为“异常”

 

1.5.3中断机制的基本原理

不同的中断信号，需要用不同的中断处理程序来处理。当CPU检测到中断信号后，会根据中断信号 的类型去查询“中断向量表”，以此来找到相应的中断处理程序在内存中的存放位置。

 

 

1.5.4知识回顾与重要考点

没有中断机制，就不可能实现操 作系统，不可能实现程序并发

 

1.6系统调用

1.6.1系统调用的概念

知识点回顾：

操作系统作为用户和计算机硬件之间的接口，需要向上提供一些简单易用的服务。主要包括命令接口和程序接口。其中，程序接口由一组系统调用组成。

 

 

系统调用概念：

“系统调用”是操作系统提供给应用程序（程序员/编程人员）使用的接口，可以理解为一种可供应用程序调用的特殊函数，应用程序可以通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务

 

1.6.2系统调用与库函数的区别

其时就是库函数封装了一系列系统调用

 

普通应用程序	可直接进行系统调用，也可使用库函数。 有的库函数涉及系统调用，有的不涉及
编程语言	向上（应用程序）提供库函数。有时会将系统调用封装成库函数，  以隐藏系统调用的一些细节， 使程序员编程更加方便。
操作系统	向上（编程语言）提供系统调用，使得上层程序能请求内核的服务
裸机

应用程序可以直接进行系统调用，也可以通过库函数来进行系统调用：

 

 

1.6.3系统调用的作用

应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。（所有系统调用是必须的）

而系统中的各种共享资源都由操作系统内核统一掌管，因此凡是与共享资源有关的操作（如存储分配、I/O操作、文件管理等），都必须通过系统调用的方式向操作系统内核提出服务请求，由操作系统内核代为完成。

这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户进行非法操作。

 

 

 1.6.4系统调用的过程

 

 

传递系统调用参数 ——>执行陷入指令（用户态）——> 执行相应的请求由内核程序处理 系统调用（核心态）——>返回应用程序

注意：

1. 陷入指令是在用户态执行的，执行陷入指令之后立即引发一个内中断，使CPU进入核心态

2. 发出系统调用请求是在用户态，而对系统调用的相应处理在核心态下进行

 

1.6.5知识回顾与重要考点

1.7操作系统的体系结构

1.7.1操作系统的内核

 

 

内核是操作系统最基本、最核心的部分。 实现操作系统内核功能的那些程序就是内核程序。

 

 

注意：

操作系统内核需要运行在内核态

操作系统的非内核功能运行在用户态

 

 

1.7.2操作系统的体系结构

 

 注意：变态的过程是有成本的，要消耗不少时间，频繁地变态会降低系统性能

 

1.7.3知识回顾与重要考点

 

 典型的大内核/宏内核/单内核操作系统： Linux、UNIX

典型的微内核操作系统： Windows NT